畢業(yè)設(shè)計---光電水龍頭設(shè)計

1、<p><b>　　畢業(yè)論文（設(shè)計）</b></p><p>　　題 目 光電水龍頭 </p><p>　　學(xué)生姓名 </p><p>　　學(xué) 號 </p><p>　　院 系 物理與電子信息工程系</p&g

2、t;<p>　　專 業(yè) 電子信息工程 </p><p>　　指導(dǎo)教師 </p><p>　　二 0 一 一 年 五月 二十 日 </p><p><b>　　光電水龍頭</b></p><p>　　摘要：本著節(jié)能減排的目的，我設(shè)計了利用紅外發(fā)射與接收電

3、路設(shè)計自動水龍頭的原理及設(shè)計方案。傳統(tǒng)的公共水龍頭、衛(wèi)生間的供水等施，使用起來不是特別方便，而且很浪費水資源。紅外線控制自動水龍頭由紅外發(fā)射電路、紅外接收放大電路、控制電路、電磁閥、電源等組成。當(dāng)人或事物靠近時，自動產(chǎn)生控制信號，繼電器動作，使電磁閥得電吸合從而自動打開水源；反之則自動關(guān)閉水源。</p><p>　　關(guān)鍵詞：紅外線傳感器；555定時電路；自動控制</p><p>　　Pho

4、toelectric faucet</p><p><b>　　ABSTRACT</b></p><p>　　The purpose of the paper in energy conservation and emission reduction, I designed using infrared emitting and receiving circuit d

5、esign automatic principle and design scheme of the faucet. The traditional public faucet, toilet water was not very convenient, and very waste water. Can not only save water, and beautiful shape, also very convenient. In

6、frared control by infrared automatic faucet launch circuit, infrared receiving amplifier circuit, control circuit, solenoid valve, power supply etc. W</p><p>　　Key word: Infrared sensors; 555 timing circuit;

7、 Automatic control</p><p><b>　　第1章 引言</b></p><p><b>　　1.1 引言</b></p><p>　　隨著電子技術(shù)的發(fā)展，當(dāng)前數(shù)字系統(tǒng)的設(shè)計正朝著速度快、容量大、體積小重量輕的方向發(fā)展。在其推動下，現(xiàn)代電子產(chǎn)品幾乎滲透了社會的各個領(lǐng)域，有力地推動了社會生產(chǎn)力的發(fā)展

8、和社會信息化程度的提高，同時也使現(xiàn)代電子產(chǎn)品性能進一步提高，產(chǎn)品更新?lián)Q代的速度也越來越快。</p><p>　　本論文設(shè)計的是一種以紅外線自動控制的水龍頭。采用了反射式紅外傳感器，這種傳感器的發(fā)射與接收是一體化的。當(dāng)人或事物靠近時，自動產(chǎn)生控制信號繼電器動作，使電磁閥得電吸合從而自動放水。</p><p>　　1.2 國內(nèi)外發(fā)展方向及現(xiàn)狀</p><p>　　隨著紅

9、外技術(shù)的高速發(fā)展，紅外焦平面陣列技術(shù)出現(xiàn)了，并且迅速得到發(fā)展。美、英、法、德、日、加拿大、以色列等西方發(fā)達國家都在競相研制和生產(chǎn)先進的紅外焦平面陣列攝像儀，其中美國在紅外焦平面陣列傳感器的發(fā)展水平方面處于遙遙領(lǐng)先地位，其焦平面陣列規(guī)模已達2048×2048元，已接近與可見光硅CCD攝像陣列的水平。日本在世界上最先實現(xiàn)了100萬像元集成度的單片式紅外焦平面陣列等種類產(chǎn)品推向市場，搶占商機，法國、荷蘭、瑞典、英國、德國和意大利等在

10、非制冷紅外熱攝像儀技術(shù)的發(fā)展方面，已顯示出其處于前沿的競爭地位。此外，加拿大、以色列、韓國、澳大利亞、波蘭、新加坡的一些公司和機構(gòu)都在盡力發(fā)展先進紅外焦平面陣列熱攝像儀技術(shù)，競爭已遍及全球幾大洲。</p><p>　　近幾年來，中國的紅外成像技術(shù)得到突飛猛進的發(fā)展，與西方的差距正在逐步縮小，有些設(shè)備的先進性也同西方同步。如目前已能生產(chǎn)面積小于30um21000×1000像素的探測器陣列，由于采用了基于銻

11、化銦的新器件，目前已達到了分辨率小于0.01℃的溫差，使對目標識別達到更高的水平。</p><p><b>　　第2章 元器件方案</b></p><p><b>　　2.1光電傳感器</b></p><p>　　光電傳感器是各種光電檢測系統(tǒng)中實現(xiàn)光電轉(zhuǎn)換的關(guān)鍵元件，它是把光信號（紅外、可見及紫外光輻射）轉(zhuǎn)變成為電信號的器

12、件。它包括一個可以發(fā)射紅外光的固態(tài)發(fā)光二極管和一個用作接收器的固態(tài)光敏二極管（或光敏三極管）。</p><p>　　標準的光電傳感器可以分為漫反射型、反射型、對射型、槽型、光纖傳感器、色標傳感器、光通訊、激光測距、光柵、防爆/隔爆型等十種。它的特長有以下七點：</p><p><b>　?。?）檢測距離長</b></p><p>　　如果在對射

13、型中保留10m以上的檢測距離便能實現(xiàn)，而其他檢測手段（磁性、超聲波等）則無法檢測。</p><p>　?。?）對檢測物體的限制少 </p><p>　　由于以檢測物體引起的遮光和反射為檢測原理，所以不象接近傳感器等將檢測物體限定 在金屬，它可對玻璃.塑料.木材.液體等幾乎所有物體進行檢測。</p><p><b>　?。?）響應(yīng)時間短</b>&

14、lt;/p><p>　　光本身為高速，并且傳感器的電路都由電子零件構(gòu)成，所以不包含機械性工作時間，響應(yīng)時間非常短。 </p><p><b>　?。?）分辨率高 </b></p><p>　　能通過高級設(shè)計技術(shù)使投光光束集中在小光點，或通過構(gòu)成特殊的受光光學(xué)系統(tǒng)，來實現(xiàn)高分辨率。也可進行微小物體的檢測和高精度的位置檢測。 </p>&

15、lt;p>　?。?）可實現(xiàn)非接觸的檢測</p><p>　　可以無須機械性地接觸檢測物體實現(xiàn)檢測，因此不會對檢測物體和傳感器造成損傷。因此，傳感器能長期使用。 </p><p>　　因此,光電式傳感器在檢測和控制中得到廣泛的應(yīng)用。通過幾種傳感器的辯證比較，我選擇了第四種——光電傳感器，并采用其中的反射式光電傳感器來作為我設(shè)計的核心元件。</p><p>　　2

16、.2 發(fā)光二極管（LED）</p><p>　　做傳感器的LED要求亮度高，顏色合適，光斑形狀合適。為了防止LED損壞，應(yīng)該注意：（1）LED的伏安特性曲線很陡，測試和使用時一定要串聯(lián)電阻限制電流。（2）氮化鎵材料的高亮度LED容易被反向電壓、靜電或電源尖峰擊穿損壞，電源電壓較高時不可反饋。</p><p>　　常用的LED續(xù)最大電流20毫安，一般低亮度的管子要小一些，工作電流的限制一是發(fā)

17、熱限制平均電流，二是高電流下亮度飽和限制峰值電流，有些管子電流大了之后還會變色。</p><p><b>　　2.3 接收管</b></p><p>　　常用的接收管有硅光電二極管，硅光電三極管，光敏電阻三種。光電二極管產(chǎn)生的電流小，需要高倍放大，但是速度很高，可以高頻調(diào)制，在遮光狀態(tài)下的特性類似普通二極管，使用時加反向電壓，輸出與光照強度近似成正比的光電流。光電三極

18、管一般基極不引出，只有兩根管腳，購買的時候叫作光敏管。光電三極管產(chǎn)生的電流較大，無需前置高倍放大，但是速度較低，調(diào)制頻率低于100KHz。遮光狀態(tài)下正反向電阻都很大，用強光照射，可以測出一個方向的電阻明顯變小，這個方向是正向，使用時加正向電壓＞1V，輸出與光照強度近似成正比的光電流。</p><p>　　光敏電阻的電特性是電阻而不是恒流，受到光照后電阻值大幅度減小，輸出電流也較大，數(shù)量級類似光電三極管。工作頻率一

19、般較低，但也有高的。在使用上最重要的區(qū)別于光敏電阻接收光照的是一個平面，沒有管殼聚光，方向性差，一般用在不區(qū)分光照方向或者要降低成本的電路里。</p><p>　　光電二極管，光電三極管都是半導(dǎo)體PN結(jié)光電元件，靠內(nèi)光電效應(yīng)接收光線，因此入射光子能量超過材料能帶寬度才能接收，表現(xiàn)在它的光譜。靈敏度特性在長波方向有一個陡的截止。在短波方向如果波長太短，靈敏度也會下降。一般的硅管最適合用在紅外到紅黃光范圍內(nèi)，但是可以

20、一直用到近紫外。</p><p>　　另類的應(yīng)用，用發(fā)光二極管當(dāng)充電二極管，它的材料能帶較寬，只接收短波的可見光。理論上可以用于顏色傳識別顏色。</p><p>　　第3章 水龍頭工作原理</p><p>　　3.1 水龍頭的構(gòu)成及傳感器控制</p><p>　　水龍頭采用了反射式紅外傳感器。紅外線的發(fā)射和接收一般使用紅外發(fā)光二極管和紅外接

21、收管來完成。當(dāng)有物體靠近時，一部份紅外光被發(fā)射到接收管。反射式紅外傳感器（如圖3-1所示）。</p><p>　　圖3-1 反射式紅外傳感器</p><p>　　反射式光電傳感器可以用來檢測地面明暗和顏色的變化，也可以探測有無接近的物體。我設(shè)計的紅外線控制自動水龍頭就運用了它這個特點。光譜范圍，靈敏度，抗干擾能力，輸出特性等都是反射式光電傳感器的重要參數(shù)。這種光電傳感器的基本原理是，當(dāng)人

22、或有物體接近時，遮擋了紅外光，光敏元件接收到光信號，從而進行光電轉(zhuǎn)換，電磁閥作用，使水源打開。紅外線控制自動水龍頭的控制過程是：當(dāng)人或物體靠近自動水龍頭時，紅外發(fā)射光電管發(fā)出的紅外經(jīng)人和物體反射到紅外接收光電管。接收光電管接收到的反射光信號自動轉(zhuǎn)換為電信號，經(jīng)過后續(xù)電路進一步放大、整形、譯碼，最后驅(qū)動電路控制電磁閥動作打開水源。當(dāng)人手或物體離開自動水龍頭時，接收光電管接收不到反射光信號，驅(qū)動電路斷開電磁閥電源，從而關(guān)閉水源。</p

23、><p>　　3.2 系統(tǒng)組成方框圖</p><p>　　紅外線自動控制水龍頭整個控制過程分為5個部分。系統(tǒng)組成方框圖如圖3-2所示。 </p><p>　　圖3-2系統(tǒng)組成方框 </p><p>　　3.3 紅外反射式光電傳感器特性與工作原理</p><p>　　反射式光電傳感器的光源有多種，常用的有紅外發(fā)光二極

24、管，普通發(fā)光二極管，以及激光發(fā)光二極管，前兩種光源容易受到外界光源的干擾，而激光二極管發(fā)出的光的頻率比較集中，傳感器只能搜索很窄的頻率范圍信號，不容易被干擾，但價格較貴。理論上光電傳感器只要位于被測區(qū)域反射表面可受到光源照射，同時又能被接收管接收到的范圍進行檢測，然而這是一種理想的結(jié)果。采用對反射光強進行測量的方法可以提高系統(tǒng)的可靠性和準確性。紅外反射光強法的測量原理是將發(fā)射信號經(jīng)調(diào)制后送給紅外管發(fā)射，光敏管接收調(diào)制的紅外信號（如圖3-

25、3所示）。</p><p>　　反射光強度的輸出信號電壓（Vout）是反射面與傳感器之間的距離（X）的函數(shù)，設(shè)反射面物質(zhì)為同種物質(zhì)時，X與Vout的響應(yīng)曲線是非線性的（如圖3-4所示）。設(shè)定出電壓達到某一閥值時作為目標，不同的目標距離，閥值電壓是不同的。</p><p>　　圖3-3 紅外發(fā)射接收原理圖 圖3-4 光強度相應(yīng)曲線圖</

26、p><p>　　3.4 紅外發(fā)射部分的具體設(shè)計方案</p><p>　　紅外發(fā)射部分就是基于555時基電路的無穩(wěn)態(tài)工作模式，構(gòu)成一個多諧振蕩器，其具體設(shè)計原理圖如圖3-5所示。</p><p>　　圖3-5 紅外發(fā)射部分的設(shè)計原理圖</p><p>　　這一部分中的電源由電源部分提供9V的直流穩(wěn)壓電，555時基電路的型號是LM555。將紅外發(fā)

27、光二極管LED1接在LM555的第3腳與電源正極之間后，只有在LM555第3腳輸出低電平的時候，LED1才會發(fā)出紅外線，輸出高電平的時候，LED1不會工作，所以LED1發(fā)出的紅外光束是一束窄脈沖光束，占空比為10%左右。這樣的光束不但有利于接收，同時也減少發(fā)光二極管LED1的功耗，延長了發(fā)光二極管的壽命。</p><p>　　這一部分所發(fā)射的紅外線經(jīng)人的手反射后，被后面電路中的光耦合器接收到，從而進一步的進行譯碼

28、控制。</p><p>　　3.5 紅外接收電路</p><p>　　紅外接收電路的功能：紅外調(diào)制信號被紅外接收光敏二極管接收并轉(zhuǎn)換為電信號，電信號送入后面由工作在單穩(wěn)態(tài)工作模式下的555時基電路組成的電路進行選頻。</p><p>　　紅外接收電路是光耦合器的一部分。圖3-6為本設(shè)計中光耦合器的接法。</p><p>　　圖3-6 光耦

29、合器的接法</p><p>　　光耦合器（optical coupler，英文縮寫為OC）亦稱光電隔離器，簡稱光耦。光耦合器以光為媒介傳輸電信號。它對輸入、輸出電信號有良好的隔離作用，所以它在各種電路中得到廣泛的應(yīng)用。目前它已成為種類最多、用途最廣的光電器件之一。光耦合器一般由三部分組成：光的發(fā)射、光的接收及信號放大。輸入的電信號驅(qū)動紅外發(fā)光二極管（LED），使之發(fā)出一定波長的光，被光探測器接收而產(chǎn)生光電流，再經(jīng)

30、過進一步放大后輸出。這就完成了電→光→電的轉(zhuǎn)換，從而起到輸入、輸出、隔離的作用。由于光耦合器輸入輸出間互相隔離，電信號傳輸具有單向性等特點，因而具有良好的電絕緣能力和抗干擾能力。又由于光耦合器的輸入端屬于電流型工作的低阻元件，因而具有很強的共模抑制能力。所以，它在長線傳輸信息中作為終端隔離元件可以大大提高信噪比。在計算機數(shù)字通信及實時控制中作為信號隔離的接口器件，可以大大增加計算機工作的可靠性。</p><p>

31、　　光耦合器的主要優(yōu)點是：信號單向傳輸，輸入端與輸出端完全實現(xiàn)了電氣隔離，輸出信號對輸入端無影響，抗干擾能力強，工作穩(wěn)定，無觸點，使用壽命長，傳輸效率高。光耦合器是70年代發(fā)展起來產(chǎn)新型器件，現(xiàn)已廣泛用于電氣絕緣、電平轉(zhuǎn)換、級間耦合、驅(qū)動電路、開關(guān)電路、斬波器、多諧振蕩器、信號隔離、級間隔離 、脈沖放大電路、數(shù)字儀表、遠距離信號傳輸、脈沖放大、固態(tài)繼電器（SSR）、儀器儀表、通信設(shè)備及微機接口中。在單片開關(guān)電源中，利用線性光耦合器可構(gòu)成

32、光耦反饋電路，通過調(diào)節(jié)控制端電流來改變占空比，達到精密穩(wěn)壓的目的。</p><p>　　3.6 延時控制電路</p><p>　　延時控制電路主要由LM555時基集成電路、電磁繼電器以及電磁閥等元件組成。</p><p>　　該處電路的LM555時基電路工作在單穩(wěn)態(tài)工作模式。它接收到由光耦合器發(fā)出的脈沖信號后，第3腳輸出由低電平跳變?yōu)楦唠娖?，使電磁繼電器工作，控制

33、電磁閥開啟，水龍頭放水；當(dāng)光耦合器的脈沖信號消失后，經(jīng)過一段時間的延時（即單穩(wěn)態(tài)電路的暫態(tài)時間），第3腳輸出由高電平跳變?yōu)榈碗娖剑荒芙o電磁繼電器提供工作電壓，控制電磁閥關(guān)閉，水龍頭斷水。</p><p>　　控制電路的電路原理圖如圖3-7所示。</p><p>　　圖3-7 控制電路原理圖</p><p>　　電磁繼電器的額定工作電壓是電磁繼電器最主要的一項技術(shù)

34、參數(shù)。在使用電磁繼電器時，應(yīng)該首先考慮所在電路（即電磁繼電器線圈所在的電路）的工作電壓，電磁繼電器的額定工作電壓應(yīng)等于所在電路的工作電壓。一般所在電路的工作電壓是繼電器額定工作電壓的0.86。應(yīng)注意所在電路的工做電壓千萬不能超過電磁繼電器的額定工作電壓，否則電磁繼電器線圈容易燒毀。LM555電路是可以直接驅(qū)動電磁繼電器工作的，而有些集成電路，例如COMS電路輸出電流小，需要加一級晶體管放大電路方可驅(qū)動繼電器，這就應(yīng)考慮晶體管輸出電流應(yīng)大

35、于電磁繼電器的額定工作電流。</p><p>　　3.7 電源部分的具體設(shè)計方案</p><p>　　民用電壓（交流220V）通過變壓器降壓、整流橋整流、電容濾波、LM7809穩(wěn)壓后，輸出9V左右的直流電壓。</p><p>　　電源部分的具體設(shè)計原理如圖3-8所示。</p><p>　　圖3-8 電源部分的具體設(shè)計原理</p>

36、<p>　　電源是所有電器設(shè)備的靈魂，也是本設(shè)計的重點。因為沒有它，無論再完美、再有用的電路都不能工作。所以在制作電路的時候，首先要做好電源電路，而且要保證成功。</p><p>　　第4章 電路仿真與實驗結(jié)果分析</p><p>　　紅外發(fā)射電路仿真結(jié)果及分析</p><p><b>　?。╝）</b></p>

37、<p><b>　　（b） </b></p><p>　　圖4.1 紅外發(fā)射電路的仿真</p><p>　　如圖4.1（a）所示，電源提供的9V直流電驅(qū)動LM555工作，第3腳輸出窄脈沖電信號，進而驅(qū)動紅外發(fā)光二極管發(fā)射紅外線。圖4.1（b）所顯示的就是加載到紅外發(fā)光二極管兩端的電信號。</p><p><b>　　結(jié)

38、論</b></p><p>　　此次畢業(yè)設(shè)計我選做的是紅外自動控制水龍頭的設(shè)計，紅外線水龍頭控制電路包括發(fā)射電路和接收譯碼控制電路。其中發(fā)射電路由多諧振蕩器和紅外發(fā)射二極管；接收電路包括紅外接收管.繼電器K.電源電路等組成。</p><p>　　通過這次對紅外線自動控制水龍頭的設(shè)計，讓我了解了設(shè)計電路的程序，也讓我了解了關(guān)于水龍頭的原理與設(shè)計理念，。通過這次學(xué)習(xí)，讓我對各種電路

39、都有了大概的了解，所以說，坐而言不如立而行，對于這些電路還是應(yīng)該自己動手實際操作才會有深刻理解。除了學(xué)會了許多專業(yè)知識外，在遇到困難時，積極地去請教我的指導(dǎo)老師，我通過看現(xiàn)有的教材、去圖書館查閱資料、去網(wǎng)上搜索相關(guān)信息這些方式，不僅完成了我的畢業(yè)論文，而且大大增強了我的自學(xué)能力和獨立能力。更重要的是，我拓展了思路，開闊了視野，活躍了思想。</p><p>　　這次畢業(yè)設(shè)計不僅使我對相關(guān)專業(yè)知識有了更深的理解，而且

40、還讓我認識到了理論知識對工作實踐的重大意義，學(xué)會理論聯(lián)系實際。畢業(yè)設(shè)計要求我們完全依靠自己的能力去學(xué)習(xí)和設(shè)計，而不是像以往課程那樣一切由教材和老師安排。因此，它給了我更大的發(fā)揮空間。讓我發(fā)揮主觀能動性獨立的查閱資料、尋找數(shù)據(jù)、設(shè)計實驗方案，并將理論知識應(yīng)用到實踐中去。同時，讓我懂得紅外線在生活中的廣泛應(yīng)用。通過這次設(shè)計提高了我認識問題、分析問題、解決問題的能力。</p><p>　　總之，這次設(shè)計既是對我課程知識

41、的考核，又是對我思考問題、解決問題能力的考核，更是對我人格品德的考驗，設(shè)計讓我受益匪淺</p><p><b>　　致 謝</b></p><p>　　通過這兩個月來的忙碌和學(xué)習(xí)，本次畢業(yè)論文設(shè)計已接近尾聲，作為一個本科生的畢業(yè)設(shè)計，由于經(jīng)驗的匱乏，難免有許多考慮不周全的地方，在這里衷心感謝指導(dǎo)老師的督促指導(dǎo)，以及一起學(xué)習(xí)的同學(xué)們的支持，讓我按時完成了這次畢業(yè)設(shè)計。

42、</p><p>　　在畢業(yè)論文設(shè)計過程中，我遇到了許許多多的困難。在此我要感謝我的指導(dǎo)老師xx老師給我悉心的幫助和對我耐心而細致的指導(dǎo)，我的畢業(yè)論文較為復(fù)雜煩瑣，但是老師仍然細心地糾正圖中的錯誤。除了敬佩xx老師的專業(yè)水平以外，她的治學(xué)嚴謹和科學(xué)研究的精神也是我永遠學(xué)習(xí)的榜樣，并將積極影響我今后的學(xué)習(xí)和工作，我才得以解決畢業(yè)設(shè)計中遇到的種種問題。感謝大學(xué)四年傳授我們專業(yè)知識的所有老師，謝謝你們嘔心瀝血的教導(dǎo)。還

43、有謝謝我周圍的同窗朋友，讓我的大學(xué)生活充滿了溫暖和歡樂。如果沒有他們的幫助，此次畢業(yè)論文的完成將變得困難。他們在我設(shè)計中給了我許多寶貴的意見和建議。同時也要感謝自己遇到困難的時候沒有一蹶不振，取而代之的是找到了最好的方法來解決問題。</p><p><b>　　參考文獻</b></p><p>　　[1]宋家友．《電子愛好者集成電子線路設(shè)計手冊》[M]．福建科技技術(shù)出

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